ER70S-6型無鍍銅焊絲焊接接頭性能及組織

張江楠，張思宇，胡 冰，任 鶴

（1.沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869；2.沈陽鼓風機集團核電泵業(yè)有限公司，遼寧 沈陽 110869）

近年來，隨著國家推行“綠水青山就是金山銀山”的環(huán)保理念，對于工業(yè)制造行業(yè)而言，環(huán)境的保護同樣至關重要。焊接作為生產制造的特殊過程，通常在焊接過程中會產生大量煙塵，既不利于環(huán)境保護又給焊接操作者的職業(yè)健康帶來較大的影響，同時，又成為焊接生產現場的主要污染源。傳統(tǒng)熔化極氣體保護焊的焊絲，為了增強焊絲的抗腐蝕性，均在焊絲表面鍍一層銅。但在焊接過程中，由于電弧熱影響，在焊絲上的鍍銅層會電離成煙塵，成為焊接煙塵中的主要的污染源。而近年來，無鍍銅焊絲技術逐漸成熟，無鍍銅焊絲通過特殊的表面處理工藝替代了傳統(tǒng)的鍍銅工藝，焊絲表面不再有鍍銅層，因此在焊接過程中會大幅度降低焊接煙塵。為進一步改善焊接操作現場的環(huán)境，本課題以ER70S-6型無鍍銅焊絲為研究對象，通過分析其技術特點，與鍍銅焊絲進行對比試驗，在保證焊接效率的基礎上，選擇合理的焊接工藝參數并通過嚴格的過程控制手段[1]，得到符合母材Q345R使用要求的焊接工藝，滿足-29℃低溫工況的使用要求。

1 試驗材料與方法

試驗母材為Q345R，滿足GB713標準，其化學成分見表1，其力學性能見表2。焊接材料為天津金橋公司生產的無鍍銅焊絲H08Mn2SiA，滿足AWSA5.18ER70S-6標準，規(guī)格ф1.2mm，其化學成分見表3。試驗采用熔化極氣體保護焊，水平位置對接焊，保護氣體為80%Ar+20%CO2。

表2 Q345R鋼的力學性能

2 焊接及熱處理工藝

試驗選用的焊接試板尺寸為300mm×300mm×20mm，采用水平位置焊接，兩塊試板采用水平位置對接后，焊接坡口尺寸為60°，X型，鈍邊2mm，拼裝對接間隙2mm。焊接時采用多層多道焊接，具體的試板拼裝形式見圖1。針對背面焊縫進行清根，采用手工修磨根部焊縫，對打底焊道進行液體滲透檢測（PT），合格后再進行背面焊縫的焊接。

圖1 試板焊接坡口及拼裝示意圖

為了驗證無鍍銅焊絲與鍍銅焊絲是否有差異，試驗選用了鍍銅焊絲常用的焊接參數。焊接的線能量為21.6kJ/cm。焊前預熱溫度80℃，層間溫度200℃。在焊接后為控制和消除殘余應力的影響，焊后進行消應力熱處理，溫度為（590～610）℃，保溫時間2～3h。

表4 試驗焊接工藝參數

3 無鍍銅焊絲使用情況

經過焊接試驗發(fā)現，采用無鍍銅焊絲焊接的焊縫外觀成型良好。為了對無銅焊絲焊接工藝性能做進一步研究，選擇了相同廠家、相同牌號的鍍銅焊絲和無鍍銅焊絲在相同的焊接工藝下同時進行焊接，對比觀察焊絲工藝性、熔敷效率、飛濺情況、焊接發(fā)塵量等。通過對比試驗發(fā)現，無鍍銅焊絲的焊接操作較鍍銅焊絲無任何異常，且焊絲焊接過程中送絲過渡感覺更加順暢，熔敷效率更高。焊接飛濺較鍍銅焊絲有所降低。在長時間的焊接操作過程中，無鍍銅焊絲的發(fā)塵量有明顯減小，短時間焊接時發(fā)塵量變化不明顯。

表1 Q345R鋼的化學成分（w%）

表3 焊絲的化學成分（w%）

無鍍銅焊絲取消了鍍銅環(huán)節(jié)，因此不需要焊絲在鍍銅前，表面準備階段的酸液清洗、堿液清洗環(huán)節(jié)以及鍍銅環(huán)節(jié)和鍍銅后的各種清洗環(huán)節(jié)。生產環(huán)節(jié)的簡化使無鍍銅焊絲在水、電、煤等能源的消耗，污水、廢酸、廢堿的排放和處理方面擁有鍍銅焊絲無法相比的優(yōu)勢。也正是因為上述生產環(huán)節(jié)的簡化，使無鍍銅焊絲在危險、廢物處理成本上有了顯著的下降[1]。并且由于無鍍銅焊絲表面沒有銅層，在焊接過程中沒有銅煙的產生，這對焊接操作者健康的傷害也有明顯的降低。據相關資料顯示，無鍍銅焊絲焊接飛濺量小，焊接煙塵小，綜合成本較鍍銅焊絲低[2]。

圖2 ER70S-6無鍍銅焊絲

4 試驗結果與分析

試驗所選的焊接試板經過X射線檢測合格，證明無鍍銅焊絲焊接工藝性良好，焊接時未產生夾渣、氣孔等缺陷。依據ASME IX標準對焊接試板進行切割，依據具體的性能試樣圖紙要求制備力學性能試樣，通過拉伸、沖擊、硬度和金相試驗論述無鍍銅焊絲的焊接工藝性能。下面將從力學性能和微觀組織兩個方面進行分析。

4.1 力學性能試驗結果分析

通過拉伸試驗發(fā)現，平均抗拉強度為575MPa，斷裂位置在母材，說明試驗所選擇的焊絲的強度滿足使用要求，且焊接接頭具有較高的強度，焊絲中Mn含量較高，對焊縫強度的提高帶來直接的影響。由于考慮極端工作條件，并為了驗證無鍍銅焊絲的力學性能，本試驗選用了超過Q345R鋼標準使用的工況溫度，-29℃進行了沖擊試驗驗證。其中焊接接頭-29℃的沖擊試驗結果見表5，焊縫中心的平均沖擊功為106J，熱影響區(qū)的平均沖擊功達到了107J，可見，在試驗中所選用的焊接線能量和層間溫度控制情況下，焊接接頭的沖擊性能很好。

無鍍銅焊絲在焊接過程中合金元素燒損更少，更有利于保證焊接接頭的沖擊性能。通過對焊接接頭硬度檢測發(fā)現焊縫硬度平均值162HBW、熱影響區(qū)硬度平均值188HBW、母材硬度平均值181HBW。焊縫及熱影響區(qū)的硬度比母材稍高，但均滿足NACE MR0175標準對低合金鋼在酸性環(huán)境下的使用要求。綜合來看，采用無鍍銅焊絲焊接的Q345R鋼焊接接頭的力學性能表現非常好，適用于-29℃工況。

表5 焊接接頭的力學性能數據

4.2 焊接接頭組織分析

焊接金相試樣用4%硝酸酒精溶液腐蝕后，分別觀察焊縫和熱影響區(qū)的微觀組織。圖3（a）（b）分別為ER70S-6型無鍍銅焊絲焊接的Q345R低合金鋼焊縫和熱影響區(qū)的金相組織。圖3（a）焊縫的組織為鐵素體，組織均勻且細小，各晶粒間的分布呈大角度狀態(tài)，這與試驗范圍選擇的焊接線能量有關系，適當低的線能量可以使焊縫組織均勻細化，從而提高了焊縫的沖擊性能，本試驗中的焊接接頭沖擊性能可以滿足-29℃的使用要求。從焊縫金相組織可以看出，試驗所選用焊接工藝參數較為合理，無鍍銅焊絲焊接時電弧穩(wěn)定性高，短路過渡時間較鍍銅焊絲短[3]，因此有利于焊接時的控制，進而保證焊接質量。由圖3（b）可以看出，熱影響區(qū)位置熔合區(qū)以外的正火區(qū)的部位由于受到焊接熱循環(huán)的影響，組織較焊縫更為細小，這與控制焊接線能量是分不開的，試驗通過合理制定各項焊接工藝參數，保證了組織的均勻性，從而提升了熱影響區(qū)的力學性能。

圖3 焊接接頭金相組織

5 結論

（1）Q345R低合金鋼焊接選擇熔化極氣體保護焊，無鍍銅H08Mn2SiA焊絲，線能量為21.6kJ/cm時，抗拉強度達到575MPa，-29℃焊縫沖擊功平均值達到106J，熱影響區(qū)沖擊功平均值達到107J，焊縫硬度162HBW、熱影響區(qū)硬度188HBW，可以滿足Q345R低合金鋼焊接要求。

（2）無鍍銅焊絲的使用在焊接過程中，焊縫成型良好，焊縫組織均勻，焊接工藝性良好，長時間焊接中發(fā)塵量明顯減小，適合于熔化極氣體保護焊的焊接。